Pilas electroquímicas

Las pilas o celdas electroquímicas son sistemas químicos que permiten obtener energía eléctrica a partir de una reacción química espontánea. Una de las pilas más conocidas y estudiadas es la pila Daniell. Cuando la pila está en funcionamiento, se producen las siguientes reacciones:

Ánodo (-): Zn → Zn +2e- (oxidación)

Cátodo (+): Cu+2 + 2e → Cu (reducción)

En el electrodo de cobre (polo positivo), que recibe el nombre de cátodo, se produce la reducción. Por el contrario, la oxidación tiene lugar en el electrodo de zinc, que es el polo negativo y que se denomina ánodo.

El esquema de funcionamiento es el siguiente: en la superficie del electrodo de zinc se forman iones Zn⁺², que pasan a la disolución, y los electrones liberados fluyen hacia el electrodo de cobre, a través del cable eléctrico, donde se combinan con los iones Cu⁺² para formar átomos de cobre, que se depositan en la superficie del electrodo. El flujo de electrones desde el electrodo de zinc al de cobre puede detectarse mediante un galvanómetro.

Baterías de uso diario

Las baterías comerciales consisten en una o varias celdas electroquímicas (conectadas en serie) que mantiene un voltaje (diferencia de potencia) constante durante un cierto lapso. Algunas son recargables; es decir, pueden volver a utilizarse una vez regenerada la composición de los electrodos.

Por otro lado, las baterías no recargables pueden ser de diferentes tipos como: pilas Leclanché, pila alcalina y pila de mercurio.

Las pilas de Leclanché: Son las pilas secas que usamos frecuentemente para las linternas. Las pilas secas constan de un recipiente de zinc, en cuyo interior hay una barra de grafico rodeada de una pasta húmeda de bióxido de manganeso (Mn0₂), cloruro de zinc (ZnCI₂) y cloruro amoníaco (NH₄CI). El recipiente de zinc es el ánodo y en él se produce la oxidación del metal. La barra de grafito es el cátodo, donde se reduce el bióxido de manganeso.

Zn(s) + 2MnO₂ (s) → ZnMn₂O₄(s)
La pila alcalina: Es una variación de la pila de Leclanché. Utiliza en lugar de cloruro de amonio el hidróxido de potasio (KOH) como electrolito. Esto permite obtener un voltaje más constante y una mayor duración que con la pila seca de Leclanché.
La pila de mercurio utiliza materiales más costosos, lo que hace su uso más restringido, por su larga duración se aplica en relojes, y en medicina para equipos de audición y marcapasos. En estas pilas el ánodo es el zinc amalgamado con mercurio, y el cátodo de acero en contacto con una mezcla de zonc y óxido de mercurio, además de un electrolito alcalino, colocado todo en un recipiente de acero inoxidable:

Zn (Hg) + HgO ==> Zn

Potenciales estándar de electrodo

Hemos visto cómo en la pila Daniell, las tendencias espontáneas del zinc a perder electrones y del cobre a ganarlos, produce una diferencia potencial entre ambos electrodos. Esta diferencia de potencial se denomina fuerza electromotriz de la pila y se simboliza como (fem), y puede medirse en voltios (V) si se utiliza un voltímetro.

En el caso de la pila Daniell, el zinc tiene mayor potencial de oxidación que el cobre. Para establecer comparaciones entre potenciales de oxidación de diferentes electrodos, se toma la diferencia de potencial entre el electrodo estudiado y un electrodo patrón, que será el electrodo normal de hidrógeno (ENH), al que se asignó el valor de 0 voltios, bajo ciertas condiciones (1 atm de presión, concentración de iones hidrógeno [H⁺] igual a 1M, y 25 ^oC).

Entonces, cuando se pone en contacto un electrodo de zinc sumergido en una solución 1M de sulfato de zinc (ZnSO₄), en condiciones estándar, con el ENH se verifica que el zinc se oxida en el ánodo y en el cátodo se desprende hidrógeno; H₂ (g) según:

2H+ 2e → H₂ (g)

La diferencia de potencial medida es de 0.76 V, que corresponde al potencial de oxidación del Zn; en símbolos:

ℰ⁰ (Zn/Zn⁺²) = 0.76 V

Por convención y, por lo general, se utilizan potenciales de reducción, que tienen el mismo valor absoluto que los potenciales de oxidación, pero con el signo cambiado. Para el zinc será:

ℰ⁰ (Zn⁺²/Zn) = 0.76 V

Preguntas y Respuestas

Preguntas 1 Preguntas 2 Preguntas 3 Preguntas 4 Preguntas 5

¿Qué son las pilas o celdas electroquímicas?, ¿Qué se produce cuando las pilas o celdas electroquímicas están en funcionamiento?, ¿Qué nombre recibe el electrodo de cobre (polo positivo), ¿Qué se produce en el cátodo?, ¿Qué se forma en la superficie del electrodo de zinc?

Ánodo (-): Zn → Zn +2e- (oxidación)

Cátodo (+): Cu+2 + 2e → Cu (reducción)

¿En qué consiste las baterías comerciales?, ¿Cuáles son los tipos de bacterias no recargables?, ¿Qué son las pilas de Leclanché?, ¿Qué es la pila alcalina?, ¿Qué utilizan la pila de mercurio?

Por otro lado, las baterías no recargables pueden ser de diferentes tipos como: pilas Leclanché, pila alcalina y pila de mercurio.

Las pilas de Leclanché: Son las pilas secas que usamos frecuentemente para las linternas. Las pilas secas constan de un recipiente de zinc, en cuyo interior hay una barra de grafico rodeada de una pasta húmeda de bióxido de manganeso (Mn0₂), cloruro de zinc (ZnCI₂) y cloruro amoníaco (NH₄CI). El recipiente de zinc es el ánodo y en él se produce la oxidación del metal. La barra de grafito es el cátodo, donde se reduce el bióxido de manganeso.

Zn(s) + 2MnO₂ (s) → ZnMn₂O₄(s)
La pila alcalina: Es una variación de la pila de Leclanché. Utiliza en lugar de cloruro de amonio el hidróxido de potasio (KOH) como electrolito. Esto permite obtener un voltaje más constante y una mayor duración que con la pila seca de Leclanché.
La pila de mercurio utiliza materiales más costosos, lo que hace su uso más restringido, por su larga duración se aplica en relojes, y en medicina para equipos de audición y marcapasos. En estas pilas el ánodo es el zinc amalgamado con mercurio, y el cátodo de acero en contacto con una mezcla de zonc y óxido de mercurio, además de un electrolito alcalino, colocado todo en un recipiente de acero inoxidable:

Zn (Hg) + HgO ==> Zn

¿Cómo es la tendencia en la pila Daniell?

Cómo en la pila Daniell, las tendencias espontáneas del zinc a perder electrones y del cobre a ganarlos, produce una diferencia potencial entre ambos electrodos. Esta diferencia de potencial se denomina fuerza electromotriz de la pila y se simboliza como (fem), y puede medirse en voltios (V) si se utiliza un voltímetro.

¿Qué tiene el zinc en el caso de la pila Daniell?

¿Qué se verifica cuando un electrodo de zinc sumergido en una solución se pone en contacto?, ¿Cuál es la diferencia de potencial medida?, ¿Qué se usa por conversión?